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研究生: 王聖富
Wang, Sheng Fu
論文名稱: 砷化鎵/鋁砷化鎵異質結構中的電子自旋共振
Electron Spin Resonance on GaAs/AlGaAs Heterostructure
指導教授: 林怡萍
Lin, Yiping
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 電子自旋共振
外文關鍵詞: electron spin resonance
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  •   本文研究題目為探討GaAs/AlGaAs異質結構的二維電子氣系統中在微波能量激發下的電性量測方法的電子自旋共振(Electrically detected electron spin resonance, EDESR)現象。實驗量測是在溫度T=2.2K、磁場0-6 Tesla的環境條件下進行,藉由觀察二維電子氣系統中Shubnikov-de Hass振盪圖形對於微波頻率以及微波功率調變而造成的影響。在實驗中除了電子自旋共振的訊號之外,在低磁場區域可以觀察到非共振的訊號反應,由於電子吸收微波能量使得電子溫度增加,此非共振訊號的振盪圖形與未加微波照射的Shubnikov-de Hass振盪圖形相位相差180度。當磁場量值增加至B = 2.4 - 2.6 T,在藍道填滿因子(Landau filling factor)為ν = 4的磁場區域附近,當外加微波能量功率增加至1mW後可觀察到原先的Shubnikov-de Hass振盪尖峰旁出現另一振盪尖峰,隨著外加微波能量功率增加,振盪尖峰振幅有增大的現象。前者以電子的輻射熱效應(Bolometric effect)解釋,後者則為電子在邊緣能態(Edge states)與主體能態(Bulk states)之間的平衡關係有關。電子自旋共振訊號部分,以不同的微波頻率照射激發下,已經成功地使用雙重鎖相放大器量測方法(Double lock-in technique) 量測光電訊號△Rxx。在微波頻率18.0GHz激發下,藍道填滿因子ν=3的附近位置觀察到電子自旋共振效應的微小訊號,然而在其他微波頻率激發下並未明確觀察到電子自旋共振的訊號。


    目 錄 一、 序論................................... 1 1.1 前言............................................. 1 1.2 研究動機......................................... 1 1.3 電性量測法的電子自旋共振......................... 2 二、 基本理論................................ 4 2.1 二維電子氣系統(2DEG).............................. 4 2.2 藍道能階與藍道填滿因子............................ 6 2.3 Shubnikov-de Hass 振盪........................... 9 2.3.1 磁阻在低磁場中的行為模式........................ 11 2.3.2 磁阻在高磁場中的行為模式........................ 13 2.4 量子霍爾效應..................................... 14 2.5 電子自旋共振..................................... 19 2.6 輻射熱測定模型................................... 22 三、 實驗方法............................... 24 3.1 量測管改進以及訊號盒雜訊處理..................... 24 3.2 微波導波管壓力窗設計以及真空測試................. 28 3.3 微波設備系統架設以及功率校正..................... 31 3.4 He4低溫量測系統.................................. 35 3.5 實驗量測方法..................................... 38 3.5.1 電阻量測方法:四點量測與兩點量測................. 38 3.5.2 雙重鎖相放大器量測方法............................39 四、 實驗結果與討論..........................42 4.1 Shubnikov-de Hass振盪與量子霍爾效應...............42 4.2 輻射熱效應....................................... 44 4.3 Shubnikov-de Hass振盪在微波照射感應下所造成非輻射熱 效應的物理過程................................... 52 4.4 二維電子氣系統中的電子自旋共振................... 58 五、 結論....................................65 參考文獻..........................................67 圖 目 錄 圖. 2.1.1 GaAs/AlGaAs異質結構能帶圖 圖. 2.1.2 GaAs/AlGaAs異質結構二維電子氣形成圖 圖. 2.2.1 藍道能階 圖. 2.2.2 能帶彎曲的藍道能階 圖. 2.2.3 Delta函數態密度型式 圖. 2.2.4 非理想Delta函數態密度型式 圖.2.3.1 標準Hall bar圖形 圖. 2.4.1 二維電子氣系統中的霍爾效應 圖. 2.4.2 位能函數U(y)對y方向的關係圖 圖. 2.4.3 藍道能階的邊緣能態型式 圖. 2.4.4 邊緣能態的電子傳輸原理 圖. 2.4.5 邊緣能態的電子傳輸行為 圖.2.5.1 電子自旋共振 圖.2.6.1 輻射熱效應模型 圖.3.1.1 量測管訊號接頭端 圖.3.1.2 絞線對所產生的效果原理 圖.3.1.3 共通接地系統 圖.3.1.4 訊號盒正視圖 圖.3.1.5 訊號盒上視圖 圖.3.1.6 分離接地系統 圖.3.2.1 壓力窗安裝之位置圖 圖.3.2.2 壓力窗成品圖 圖.3.3.1 微波設備裝置圖 圖.3.3.2  訊號量測管正視圖 圖.3.3.3  訊號量測管樣品座 圖.3.3.4 WR-42波導管 圖.3.3.5 矩形波導管內電場線與磁場線分佈圖 圖.3.3.6 矩形波導管內TE10模態之場線圖 圖.3.3.7 微波功率校正裝置圖 圖.3.4.1 He4的三相圖 圖.3.5.1 兩點量測 圖.3.5.2 四點量測 圖.3.5.3 單一鎖相放大器量測方法 圖.3.5.4 雙重鎖相放大器量測方法 圖.4.1.1 Hall-bar 尺寸圖形 圖.4.1.2 Shubnikov-de Hass振盪與量子霍爾效應 (磁場方向向上掃) 圖.4.1.3 Shubnikov-de Hass振盪與量子霍爾效應 (磁場方向向下掃) 圖.4.2.1 微波照射激發下的Shubnikov-de Hass振盪圖形 圖.4.2.2 輻射熱效應在微波頻率17.5GHz照射下 圖.4.2.3 輻射熱效應在微波頻率17.6GHz照射下 圖.4.2.4 輻射熱效應在微波頻率19.0GHz照射下 圖.4.2.5 輻射熱效應訊號△Rxx在微波頻率17.5GHz照射下與藍道 填滿因子關係圖 圖.4.2.6 輻射熱效應訊號△Rxx在微波頻率17.6GHz照射下與藍道 填滿因子關係圖 圖.4.2.7 輻射熱效應訊號在微波頻率17.5GHz照射下與微波功率關 係圖 圖.4.2.8 輻射熱效應訊號在微波頻率17.6GHz照射下與微波功率關 係圖 圖.4.2.9 微波功率對Shubnikov-de Hass振盪影響趨勢在微波 頻率17.5GHz照射下 圖.4.2.10 微波功率對Shubnikov-de Hass振盪影響趨勢在微波 頻率17.6GHz照射下 圖.4.2.11 微波頻率對Shubnikov-de Hass振盪影響趨勢 圖.4.3.1 Shubnikov-de Hass振盪圖形在微波頻率17.5GHz照射下 圖.4.3.2 Shubnikov-de Hass振盪圖形在微波頻率17.6GHz照射下 圖.4.3.3 Shubnikov-de Hass振盪圖形在微波頻率17.85GHz照射下 圖.4.3.4 Shubnikov-de Hass振盪與量子霍爾效應在微波照射感 應下 圖.4.3.5 邊緣能態上的電子傳輸 圖.4.3.6 Shubnikov-de Hass振盪對激發電流關係圖 圖.4.4.1 微波照射激發下的Shubnikov-de Hass振盪圖形 圖.4.4.2 雙重鎖相放大器的量測裝置圖 圖.4.4.3 實驗量測裝置圖 圖.4.4.4 雙重鎖相放大器ΔRxx的電子自旋共振訊號 (磁場方向向上掃) 圖.4.4.5 雙重鎖相放大器ΔRxx的電子自旋共振訊號 (磁場方向向下掃) 表 目 錄 表. 3.2.1 絕緣材料對微波穿透率 表. 3.3.1 微波功率二極體電壓-功率二次曲線方程式 表. 4.1.1 載子濃度與電子漂移率 表. 4.4.1 電子自旋共振反應訊號位置 表. 4.4.2 電子自旋的迴轉磁率gs

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